【Linux】进程控制基础知识
目录
一，fack回顾
二，进程终止
1.进程终止，操作系统做了什么？
2.进程终止，常见的方式
1.main函数的，return + 返回码
2. exit()函数
三，进程等待
1. 回收进程方法
（1. wait方法
补充理解：僵尸进程与内存泄露区别
（2.waitpid函数
a,参数pid
b, 参数status
c, 参数options
四，进程替换
1，概念与原理
2，进程替换方法
3. 尝试fork + execl函数
其他函数补充：
4. 如何利用execl函数运行其他可执行程序
一，fack回顾
#include
- 分配新的内存块和内核数据结构给子进程；
- 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程；
- 添加子进程到系统进程列表当中；
- fork返回，开始调度器调度。
由于前面已经出现了fork的理解，这里不做详解。
前面地址空间章节（【Linux】地址空间概念_花果山~~程序猿的博客-CSDN博客）我们已经初步了解了在创建子进程时，系统会采用写时拷贝这项决策，我们可以反向思考，如果系统直接拷贝一份给子进程呢？我们知道进程 = 内核数据结构 + 代码&数据，进程一旦被创建，代码是处于只读的状态，但数据可以转为可写，这样我们为啥不拷贝一份数据给子进程？因为系统是不知道那些数据是要被使用的，所以拷贝一份不怎么被使用的数据会导致内存利用率下降。
所以关于为何OS选择写时拷贝技术，对父子进程进行分离？
1.用的时候，给子进程分配，是一种高效的内存表现。
2.系统在执行代码时，无法的知道那些内存会被访问。
数据修改前后：
结论：在计算机系统中，当父进程创建子进程时，子进程会继承父进程的代码和数据。初始时，这些代码和数据的权限是只读的。当子进程需要修改这些代码和数据时，会进行写时拷贝操作，即将需要修改的部分数据的权限从只读变为可写。
二，进程终止
1.进程终止，操作系统做了什么？
进程终止，操作系统释放进程所申请的内核数据机构，代码和数据，其本质上就是内存释放。
2.进程终止，常见的方式
1.main函数的，return + 返回码
我们在编写一个C/C++程序时，运行起来，会有以下情况：
（a，代码跑完，结果正确；
(b，代码跑完，结果不正确；
我们在编写main函数时，往往都会返回一个0（不总是0），这是进程退出码，是提供给上一级父进程的，如果返回的不是0就代表结果不正确；反之，正常退出，则返回0；
补充： 获取上一次进程退出码指令 echo $?
那main()函数返回值有什么意义呢？
当我们在shell脚本中调用一个程序时，可以通过检查该程序的main函数返回码来确定程序是否成功执行。如果返回码为0，则表示程序执行成功；而如果返回码为其他非零值，则表示程序执行失败或出现错误。通过这种方式，我们可以根据main函数的返回码来进行后续的处理（意味着得程序跑完，才会有后续处理），例如输出相应的提示信息或进行错误处理（比如：strerror()函数的错误原因）。（来自chatgpt）
(c，代码未跑完，程序奔溃。（这里在信号部分讲解）
2. exit()函数
exit在代码任何地方调用，都会终止进程。这里补充一个系统层面的接口_exit()
接下来我们来实验一下两者的区别：
行缓冲区，如果我们不添加换行符，打印数据会先存放到缓存区，在进程结束后刷新到显示器。
int main()
6 {
7 cout << "lisan";
8 sleep(3);
9 exit(11); // _exit(11);
10 return 0;
11 }
12 尝试两个函数，_exit()函数在进程退出时不会打印lisan,下面是原因示意图。
由于_exit()直接终止程序，所以缓冲区的数据没有被刷新出。那这里我们会想缓冲区在那里呢？我们知道_exit()是操作系统的接口，exit()是库函数，因此我们可以大概猜到管理缓冲区的程序在操作系统之上。
三，进程等待
为什么需要进程等待？父进程需要拿到一个数据，创建子进程，等待子进程返回数据，父进程才能进入下一步操作。以及，子进程退出，如果父进程提前退出，子进程则变成僵尸进程，造成内存泄露。
总之；
- 之前讲过，子进程退出，父进程如果不管不顾，就可能造成‘僵尸进程’的问题，进而造成内存泄漏。
- 另外，进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，“杀人不眨眼”的kill -9 也无能为力，因为谁也没有办法杀死一个已经死去的进程。
- 最后，父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。如，子进程运行完成，结果对还是不对，或者是否正常退出。
- 父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程退出信息。
执行下面程序：
int main()
6 {
12 pid_t pd = fork();
14 if (pd < 0)
15 {
16 // 程序失败
17 perror("fork ");
18 }else if(pd == 0)
19 {
20 // 子进程
21 int a = 5;
22 while(a--)
23 {
24 printf("是子进程：getpid:%d,getppid:%d\n",getpid(), getppid() );
25 sleep(1);
26 }
27 }else{
28 // 父进程
29 while(1)
30 {
31 printf("是父进程：getpid:%d,getppid:%d\n",getpid(), getppid() );
32 sleep(1);
33 }
34 }
35 }
那我们如何接收进程呢？（虽然父进程提前结束，子进程会被操作系统领养，回收，这种思路：是一种编程思路，我们以后会学习到）
1. 回收进程方法
（1. wait方法
#include
补充理解：僵尸进程与内存泄露区别
我们知道子进程一旦进入僵尸状态，其代码和数据虽然可以被释放，但其PCB（task_struct）的内核数据结构会被保留，如果操作系统一直不回收那么也属于内存泄露；在我们编写的应用程序中，我们通过new,malloc向堆区申请的内存，需要我们在使用完后进行释放，否则会造成内存泄露。理解：
这两种泄露前者是操作系统级别的，后者是进程中，后者进程退出，系统回收内存，不存在内存泄露；前者操作系统不处理僵尸进程的PCB是永远回收不了这些内存的。
（2.waitpid函数
pid_ t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);返回值：当正常返回的时候 waitpid 返回收集到的子进程的进程 ID ；如果设置了选项 WNOHANG, 而调用中 waitpid 发现没有已退出的子进程可收集,则返回0 ；如果调用中出错 , 则返回 -1, 这时 errno 会被设置成相应的值以指示错误所在；
a,参数pid
Pid=-1, 等待任一个子进程。与 wait 等效。Pid>0. 等待其进程 ID 与 pid 相等的子进程。
补充一点关于status的知识，我们知道其是用来记录子进程返回码的，同时我们也知道程序运行结束会有三种情况：
那怎么从status上表达这不同情况？
b, 参数status
所以我们怎么取得退出状态？？
（status >> 8) & 0xff // 0xff -> 0000 0000....1111 1111保留最后8个比特位
这是进程正常结束，那进程异常结束呢？我们知道进程异常退出，其实是系统杀掉了进程，系统向进程发送杀掉信号。进程一但异常退出，那么其进程返回码就失去了意义。
所以如何获取这个信号呢？
(status >> 7) & 0x7F // 0000... 111 1111 保留最后7个比特位，（注意：如果status如果已经进行位向右移，这次的位运算是会在上次的基础上向右移）
进程异常结束，不都是进程内部代码问题，也有可能是外部原因，比如：kill -9 杀死进程，错误消息就是9
但是，这个还得知道status的组成，然后需要进行位运算，这个了解还行，但使用长期下来不方便，因此，为了使用方便提供了如下：
常用获取进程退出情况（推荐）
WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（查看进程 是否是正常退出 ）WEXITSTATUS(status): 若 WIFEXITED 非零，提取子进程退出码。（查看 进程的退出码 ）
补充：
c, 参数options
option默认为0，表示子进程运行时，父进程为阻塞等待； WNOHANG 参数，是一个宏定义，表示父进程为非阻塞状态。(WNOHANG理解：HANG是一种专业的术语，如果一个进程卡死，这个进程要么在阻塞队列中，要么等地被调度，所以称作这个进程HANG住了。所以NOHANG就是非阻塞等待)
Linux由C语言编写，wait本质上是系统中的一个函数，我们通过一个伪代码来理解：
那非阻塞等待，难道是不等待子进程？本质上，非阻塞等待是基于非阻塞调用的轮询方案，说人话是，我找张三帮忙，张三说在忙，我先做我的事，然后每过一分钟给他打个电话，查看他是事是否做完。
四，进程替换
1，概念与原理
2，进程替换方法
方法：通过execl函数
我们问问man
今天我们来学习最简单的execl。
int execl (const char* path, const char* arg, ...) // 路径 ， 命令行上该怎么写就怎么写
path : 目标程序的地址+路径
arg: 函数参数
... : 的意思是可变参数列表，注意点：参数列表必须以NULL结尾，这表示参数提取结束。
下面是例子：
从上面的观察中发现：
1. 进程替换后，"进程结束"没有打印，这一点可以佐证，一旦execl函数调用成功，原来进程的代码和数据全部被替换为新进程。
2. 如果execl调用失败，继续原来进程，不过这时可以直接终止进程。
3. 尝试fork + execl函数
看下面代码：
1 #include
2 #include
3 #include
4 #include
5 using namespace std;
6
7 int main()
8 {
9 pid_t pd = fork();
10 if (pd == 0)
11 {
12 // 子进程
13 cout << "子进程开始, pid:" << getpid() << endl;
14 execl("/usr/bin/ls", "ls","-l", "-a", "--color=auto", NULL);
15 exit(-1);
16
17 }else if (pd)
18 {
19 // 父进程
20 int status = 100;
21 cout << "父进程开始" << endl;
22 pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);
23 if (ret)
24 {
25 cout << "子进程退出，打印子进程退出码:" << WEXITSTATUS(status) << endl;
26 }else
27 {
28 cout << "子进程未退出" << endl;
29 }
30
32 }
33 else
34 {
35 cout << "创建子进程失败" < 结果：
问：为什么要创建子进程来替换呢？
答：为了实现父进程读取数据，分析数据，然后指派子进程去完成某项任务的思想。
问：父子进程代码共享，数据写时拷贝？那execl函数替换进程了呢？代码是否会进行写时拷贝？
答：会，因为如果父子进程共享，在调用execl函数时，会对代码进行写时拷贝，否则父进程会受到影响。
其他函数补充：
进程替换函数其实还是有挺多接口的，如下：
1. execv 函数，使用一图流如下：
2. execlp函数，
3. execvp函数，这个就挺容易用的，可以这么理解，指令方式以Vector存储，并且“P”省略文件路径，自动搜索环境变量。
4. execle函数，"e"表示的则是环境变量的意思，通过传递环境变量给新程序，可以在新程序中使用这些环境变量的值。例如，可以通过设置环境变量来影响新程序的行为，或者传递一些需要在新程序中使用的配置信息。
下面是一个示例，展示了如何使用execle函数传递环境变量：
#include
int main() {
char *envp[] = {"MYVAR=Hello", "OTHERVAR=World", NULL};
execle("/path/to/program", "/path/to/program", NULL, envp);
return 0;
}
在上面的示例中，我们定义了两个环境变量MYVAR和OTHERVAR，并将它们传递给新程序。新程序可以使用getenv函数来获取这些环境变量的值。
需要注意的是，使用execle函数时，必须传递完整的环境变量数组，包括系统默认的环境变量。如果只想传递自定义的环境变量，可以使用execve函数(这是真正的系统调用，其他exec**函数都只是封装)，并将environ变量作为参数传递给它。（来自chatgpt）
命名总结：
4. 如何利用execl函数运行其他可执行程序
诺，下面是我在Test程序上调用mypro程序。
makefile: 可以做到一次编译多个文件。
最右侧的图，运用到了命令行参数，可参考本博客中命令行参数部分【Linux】进程基础概念【下篇】-CSDN博客
到这里我们，我们可以理解exec***函数的功能——底层加载器的接口
结语
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